Eksperimentalno istraživanje, optimizacija i• Visoka temp. samozapaljenja, otporan na detonaciju • Omogućava visoki kompresijeki omjer • Dobra termička iskoristivost Metan

Eksperimentalno istraživanje, optimizacija i

karakterizacija rada klipnog motora uz

„dual-fuel“ izgaranje - DUFCOROC

D1.1 – Izvještaj o zaključcima iz pregleda literature

Mario Sremec

Ivan Taritaš

Eksperimentalno istraživanje, optimizacija i karakterizacija

rada klipnog motora uz „dual-fuel“ izgaranje - DUFCOROC 2

Upotreba diesel motora predviđa

se i u daljnjim godinama; potrošnja

dizelskog goriva raste kroz godine

Uvod

Transport već godinama

predstavlja glavni izvor emisije

ugljikovog dioksida



Uvod

Dozvoljena emisija ispušnih plinova

iz motora s unutarnjim izgaranjem

smanjuje se normama Općenito: sve emisije štetnih

plinova smanjuju se tijekom

godina



Problemi diesel motora:

• Buka izgaranja

• NOx emisija ispušnih plinova

• Čestice (čađa)

Postoji potreba za ekološki

prihvatljivijim gorivima

Uvod



Dodatni razlozi za uvođenje novih goriva:

• Zakonske regulative

• Utjecaj na okoliš

• Zalihe nafte, nestabilna politička područja

• Ekonomičnost, cijena

Uvod



Stlačeni prirodni plin (SPP , CNG)

IOB (istraživački oktanski broj): 120 -130

Tlak u spremniku ~ 220 bar

Hd = 8,9 MJ/dm3 – kod 200 bar

Za istu količinu energije potreban 4 puta veći spremnik od diesela (Hd-

diesel = 35,8 MJ/dm3)

Sadrži pretežno metan (CH4): min 85 % (izvor: termoplin d.d.)

Prirodni plin - karakteristike




Metan – dobra svojstva:

• Plinovito gorivo, dobro miješanje sa zrakom

• Mala vjerojatnost emisije čađe

• Visoka temp. samozapaljenja, otporan na detonaciju

• Omogućava visoki kompresijeki omjer

• Dobra termička iskoristivost

Metan – nedostaci:

• Stehiometrijski omjer = 17 (kod benzina i diesela iznosi oko 14,6)

za istu količinu zraka, u cilindar treba ubrizgati manje goriva

• Potreban veći spremnik na vozilu za pohranu iste količine energije u

usporedbi s konvencionalnim gorivima (dizel, benzin)




Moguće korištenje prirodnog plina:

Otto motori

• Niska iskoristivost zbog niskog komp. omjera

• Povećanje iskoristivosti uz veće preinake

Diesel motori

• Dobra iskoristivost

• Jednostavna preinaka za korištenje plina

• Mogućnost prelaska na čisti diesel



„Dual-fuel” motori

Dual fuel ili diesel dual fuel ili DDF motor

- Motor s unutarnjim izgaranjem koji kao pogonsko

gorivo koristi prirodni plin i diesel

Primarno gorivo: prirodni plin (CNG)

Sekundarno gorivo: diesel

Motor istovremeno troši oba goriva

Ne može raditi samo na plin

Mogućnost zamjene diesela plinom preko 85%

Mogućnost rada samo na diesel gorivo



„Dual-fuel” motori Izvedbe „dual fuel” motora:

Direct injected: Ubrizgavanje u cilindar; skupa

brizgaljka, nemogućnost prelaska na monofuel, viša

emisija čestica i NOx

Port injected: Ubrizgavanje plina u usisnu cijev; laka

prerada, mogućnost prelaska na monofuel (diesel)




Faze tokom izgaranja: 1. Izgaranje diesela

2. Izg. metana u pilot mlazu

3. Širenje plamena

4. Moguće detonantno

izgaranje

Izvor: Koniggson, F: Advancing the Limits of Dual Fuel Combustion, 2004.




Utjecaj parametara na emisiju ispušnih plinova:

λ=1 CO visok, bogata

smjesa, nepotpuno izgar.

λ=1,1 CO minimalan

λ ↑ CO, HC ↑

λ=1,2 NOx maksimalan

Z - omjer zamjene diesel goriva

Z↑ HC ↑

Z↑, λ ↑ NOx ↓

Z↑, λ ↓ NOx ↑

EGR – razrjeđuje smjesu, smanjuje temp. kompresije; HC↑, CO ↑, NOx ↓

Vrući EGR - povećava usisnu temperaturu, bolja propagacija plamena, HC↓, CO ↓, NOx ↓






Problemi DDF motora:





Ubrizgavanje podijeljeno na dva dijela pokazuje veliku prednost (prvo

ubrizgavanje 75% goriva, drugo 25%)





HCCI i PPCI smanjuju

HC i CO približno za

50 % kod istog omjera

zamjene diesela plinom.





Zaključci autora:

Rad na niskom opterećenju:

• Visoka HC emisija

• HCCI mod pokazuje prednosti

• Bolja svojstva ako se ubrizgavanje podijeli na dva dijela

• Potrebno raditi na smanjenju bogatstva smjese

Problemi visokog opterećenja:

• Visoka temperatura

• Detonacija

• Preupaljivanje

• Izvori neizgorjelih ugljikovodika




Izvor: Papagiannakis, R. G. ; Hountalas, D. T.: Experimental investigation concerning the effect of natural gas percentage on

performance and emissions of a DI dual fuel diesel engine

Ovisnost tlaka u cilindru o omjeru goriva i opterećenju




Izvor: Papagiannakis, R. G. ; Hountalas, D. T.: Experimental investigation concerning the effect of natural gas percentage on

performance and emissions of a DI dual fuel diesel engine

Kašnjenje paljenja i trajanje izgaranja



Eksperiment:Towards improvement of natural gas-diesel dual fuel mode: An

experimental investigation on performance and exhaust emissions

Izvor: Lounici, M,S; Loubar, K; Tarabet, L; Balistrou, M; Niculescu, D-C; Tazerout, M: Towards improvement of natural

gas-diesel dual fuel mode: An experimental investigation on performance and exhaust emissions

Eksperimentalni postav: paljenje 13° prije GMT konstantno (nije optimirano);

Ubrizgava se oko 10% tekućeg goriva potrebnog za punu snagu – dalje se

snaga povećava plinom

Rezultati:

• Nisko opterećenje – tlak u cilindru niži od diesela

• Na visokim brzinama razlika tlaka je manje značajna

• Oslobođena toplina veća kod DDF-a. - slabi utjecaj

na tlak jer se razvija u taktu ekspanzije

• Visoko opterećenje – tlak u cilindru viši nego

kod diesel motora







Tlak u cilindru:

1500 o/min

20% opterećenje

1500 o/min

80% opterećenje

11.8.2016. Eksperimentalno istraživanje, optimizacija i karakterizacija






Tlak u cilindru prema opterećenju:







BSFC: veća na nižim, manja na višim opt.







Emisija čađe:

- niska kod višeg opterećenja i višeg omjera zamjene goriva, rezultat

čišćeg izgaranja metana





Emisija NOx:





Emisija THC:





CO i CO2:





Zaključak:

Nedostatci kod niskih opterećenja:

• BSFC, THC, CO – zbog niske temp. i lošeg

miješanja goriva i zraka

Sugestije za poboljšanje:

• Osigurati bolju smjesu

• Topli usis

• Obogaćivanje plina – bolje izgaranje

• Upravljanje takvo da na niskom opterećenju

motor radi kao diesel



Izvor: G.H. Abd Alla, H.A. Soliman, O.A. Badr, M.F. Abd Rabbo: Effect of injection timing on the performance of a dual fuel engine

CO koncentracija i NOx

Kut paljenja ima suprotne efekte na ove dvije emisije; povećanje kuta

paljenja smanjuje emisiju CO, a povećava NOx. NOx raste i s povećanjem

količine pilot goriva

Eksperiment:Towards improvement of natural gas-diesel dual fuel mode:

Effect of injection timing on the performance of a dual fuel engine



Izvor: G.H. Abd Alla, H.A. Soliman, O.A. Badr, M.F. Abd Rabbo: Effect of injection timing on the performance of a dual fuel engine

Eksperiment:Towards improvement of natural gas-diesel dual fuel mode:

Effect of injection timing on the performance of a dual fuel engine

• Ranije paljenje rezultira s većim vršnim tlakom jer

više goriva izgori prije TDC

• Viši Tlak viša Temperatura

• Kod kasnijeg paljenja, propagacija plamena je

sporija zbog niže temperature

Povećanje kuta paljenja dovodi do

smanjenja emisije HC



Izvor: G.H. Abd Alla, H.A. Soliman, O.A. Badr, M.F. Abd Rabbo: Effect of pilot fuel quantity on the performance of a dualfuel engine

Eksperiment:Effect of pilot fuel quantity on the performance of a dualfuel engine

Povećanje udjela pilot mlaza:

• Povećava BTE, povećava trajanje izgaranja,

• Povećava temp. Izgaranja, raste NOx

• Smanjuje se HC i CO

• Na visokim opt. vodi do detonacije



Izvor: R.G. Papagiannakis a, C.D. Rakopoulos b,*, D.T. Hountalas b, D.C. Rakopoulos: Emission characteristics of high speed, dual fuel,

compression ignition engine operating in a wide range of natural gas/diesel fuel proportions

Eksperiment: Emission characteristics of high speed, dual fuel, compression

ignition engine operating in a wide range of natural gas/diesel fuel proportions

Utjecaj lambde na iskoristivost – vrlo

niska iskoristivost kod niskog opterećenja

uz dual fuel izgaranje



















CO emisija izražena na niskim

opterećenjima, zbog niže temp.

U svim režimima

viša u odnosu na diesel

Potencijalno Rješenje: Grijani usis







HC emisija izražena na niskim

opterećenjima,

Potencijalno Rješenje: Grijani usis

Emisija na visokim opt. počne padati

čemu je razlog dio goriva koji izbjegne

izgaranje



Objedinjeni zaključci iz pregleda literature

BTET

(kompresije)

p

(kompresije)BSFC

Kašnjenje

paljenjaNOx Soot HC CO

Faktor pretčka zraka λ ↘ ↗ ↗ ↗ ↘ ↘ nakon λ=1,2 ↗ ↘↗ ↘↗

Omjer zamjene diesela

plinomZ ↘ ↘ ↘ ↗ ↗

↗ uz smanjenje λ,

↘ uz povećanje λ ↘ ↗

↗ u niskom

opterećenju; U

visokom opt. ↗ do

Z=50%, zatim ↘;

hladni ↘ hladni ↘ hladni ↘ hladni ↗ hladni ↗

vrući

zadržava vrući ↗ vrući ↗ vrući ↘ vrući ↘

Kut početka

ubrizgavanja diesela°CA BTDC ↗ ↗ ↗ ↘ ↗ ↗ ↘ ? ?

Količina pilot mlaza ṁ (diesel) ↗ ↗ ↗ ↘ ↘ ↗ ↗ ? ?

Grijani usis T ↗ ↗ ↗ ↘ ↘ ↗ ↘ ↘ ↘

Temperatura motora T ↗ ↗ ↗ ↘ ↘ ↗ ↘ ↘ ↘

Brzina vrtnje n ↗ ↗ ↗ ↘ ↘ ↗↘ ____ ____ ____

Tlak ubrizgavanja p ↗ ↗ ↗ ↘ ↘ ↘ ↘ ↘ ↘

↗

Povećanje radnog parametra

Utjecaj na

Dual Fuel motor

Udio EGR-a %EGR ↗ ↘ ↗

Documents

Eksperimentalno istraživanje, optimizacija i• Visoka temp. samozapaljenja, otporan na detonaciju • Omogućava visoki kompresijeki omjer • Dobra termička iskoristivost Metan